Technologia tranzystorów 45nm już wprowadzona przez Intela

Firma Intel Corporation poinformowała dziś, że używa dwóch zupełnie nowych materiałów do budowania ścian izolacyjnych i bramek w swoich 45-nanometrowych tranzystorach, co stanowi jeden z największych przełomów w technologii tranzystorowej. Setki milionów tych tranzystorów - działających jak mikroskopijne przełączniki - znajdą się w następnej generacji procesorów wielordzeniowych Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad oraz Xeon. Firma stwierdziła też, że pięć wczesnych wersji procesorów 45-nanometrowych - spośród planowanych piętnastu - już działa. Dzięki nowym tranzystorom Intel będzie nadal mógł zwiększać szybkość procesorów przeznaczonych do komputerów osobistych, laptopów i serwerów, jednocześnie zmniejszając upływ prądu, który negatywnie wpływa na konstrukcję, rozmiar, zużycie mocy, hałas i koszt procesorów oraz komputerów.

Ponadto gwarantują one, że prawo Moore'a - aksjomat branży zaawansowanych technologii, który stanowi, że liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się mniej więcej co dwa lata - pozostanie prawdziwe również w przyszłej dekadzie.

Intel uważa, że zwiększył ponad roczną przewagę nad resztą branży półprzewodnikowej, tworząc pierwsze działające procesory z nowej generacji produktów 45-nanometrowych o nazwie kodowej "Penryn". Wczesne wersje, które będą przeznaczone na pięć różnych segmentów rynku komputerowego, obsługują systemy operacyjne Windows Vista, Mac OS X, Windows XP i Linux, a także różne aplikacje. Firma planuje rozpocząć produkcję w technologii 45-nanometrowej w drugiej połowie bieżącego roku.

45-nanometrowe tranzystory Intela z izolatorem o wysokiej stałej dielektrycznej i metalową bramką Intel jako pierwszy zastosował nowatorską kombinację materiałów, które znacznie zmniejszają upływ prądu i zwiększają wydajność technologii 45-nanometrowej. Firma będzie używać materiału o wysokiej stałej dielektrycznej (high-k) do wytwarzania izolacji w bramce tranzystora oraz nowej kombinacji metali do wytwarzania elektrody bramki.

"Zastosowanie metalu oraz materiałów o wysokiej stałej dielektrycznej to największa zmiana w technologii tranzystorowej od czasu wprowadzenia polikrzemowych, polowych tranzystorów MOS pod koniec lat 60." - powiedział współzałożyciel Intela Gordon Moore.

Tranzystory to małe przełączniki, które przetwarzają jedynki i zera cyfrowego świata. Bramka włącza i wyłącza tranzystor, a dielektryk w bramce jest izolatorem oddzielającym ją od kanału, którym płynie prąd. Kombinacja metalowych bramek oraz izolatora o wysokiej stałej dielektrycznej pozwala uzyskać tranzystory o bardzo małym upływie prądu i rekordowo wysokiej sprawności.

"W miarę, jak na pojedynczym płatku krzemu upakowywanych jest coraz więcej tranzystorów, branża analizuje bieżące rozwiązania redukcji upływu prądu - powiedział Mark Bohr, wysoki rangą pracownik Intela. - Tymczasem nasi inżynierowie i projektanci odnotowali godne uwagi osiągnięcie, dzięki któremu produkty Intela zachowają dominującą pozycję na rynku. Zastosowanie tranzystorów z metalowymi bramkami i izolatorem o wysokiej stałej dielektrycznej w technologii 45-nanometrowej pozwoli nam dostarczać jeszcze szybsze i bardziej energooszczędne procesory wielordzeniowe, które zastąpią odnoszące sukcesy rodziny Intel Core 2 oraz Xeon i przedłużą ważność prawa Moore'a o kolejną dekadę".

Dla porównania: około 400 nowych, 45-nanometrowych procesorów Intela może zmieścić się na powierzchni ludzkiej czerwonej krwinki. Zaledwie dziesięć lat temu triumfy święciła technologia 250-nanometrowa, co oznacza, że tranzystory były mniej więcej 5,5 razy większe i zajmowały 30-krotnie większą powierzchnię w porównaniu z technologią ogłoszoną dziś przez Intela.

Dzięki temu, że zgodnie z prawem Moore'a liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się co dwa lata, Intel może wprowadzać innowacje, dodając więcej funkcji i rdzeni obliczeniowych, zwiększając wydajność oraz obniżając koszty produkcji i cenę jednego tranzystora. Aby utrzymać to tempo innowacji, trzeba nieustannie zmniejszać tranzystory. Jednak przy zastosowaniu bieżących materiałów możliwość dalszego zmniejszania tranzystorów zbliża się do fizycznego limitu ze względu na zwiększony pobór mocy oraz emisję ciepła w obwodach osiągających poziom atomowy. W rezultacie przyszłość prawa Moore'a oraz ekonomiki wieku technologii zależy od wprowadzenia nowych materiałów.

Recepta na technologię 45-nanometrową: wysoka stała dielektryczna i metalowa bramka Od ponad 40 lat warstwę izolacyjną w bramce tranzystora wytwarzano z dwutlenku krzemu ze względu na łatwość produkcji oraz możliwość ciągłego zwiększania sprawności tranzystorów przez stopniowe zwężanie tej warstwy. W poprzedniej technologii 65-nanometrowej Intel zdołał zmniejszyć grubość krzemowego dielektryka bramki do zaledwie 1,2 nm - co odpowiada pięciu warstwom atomów - ale dalsze jej zmniejszanie doprowadziło do wzmożonego upływu prądu przez dielektryk, a zatem do strat energii i niepotrzebnej emisji ciepła.

Upływ prądu w bramce tranzystora spowodowany stosowaniem coraz cieńszej warstwy dielektrycznej uważa się w branży za jedno z najtrudniejszych technicznych wyzwań zagrażających prawu Moore'a. Aby rozwiązać ten palący problem, Intel zastąpił dwutlenek krzemu grubszym materiałem opartym na hafnie, dziesięciokrotnie zmniejszając upływ prądu w porównaniu z metodami stosowanymi od ponad 40 lat.

Ponieważ warstwa izolacyjna o wysokiej stałej dielektrycznej nie działałaby ze współczesnymi, krzemowymi elektrodami bramki, drugą częścią rozwiązania było opracowanie nowych, metalicznych materiałów do wytwarzania bramek. Szczegóły pozostają tajemnicą Intela, ale firma będzie produkować bramki tranzystora z wykorzystaniem kombinacji różnych metali.

Połączenie izolatora o wysokiej stałej dielektrycznej z metalową bramką w technologii 45-nanometrowej zapewnia ponad 20-procentowy wzrost prądu sterowanego, czyli większą sprawność tranzystora. Jednocześnie pięciokrotnie zmniejsza upływ prądu między źródłem a drenem, tym samym zwiększając energooszczędność tranzystora.

45-nanometrowa technologia Intela zwiększa też gęstość tranzystorów mniej więcej dwukrotnie w porównaniu z poprzednią generacją, dzięki czemu firma może albo zwiększać łączną liczbę tranzystorów, albo zmniejszać procesory. Mniejszy rozmiar tranzystorów oznacza, że ich włączanie i wyłączanie zużywa mniej energii, dzięki czemu aktywny pobór prądu przełączającego zmniejsza się o mniej więcej 30 procent. Aby zwiększyć sprawność układów i zmniejszyć pobór mocy, Intel będzie łączył ich elementy za pomocą przewodów miedzianych o niskiej stałej dielektrycznej. Firma zastosuje też nowatorskie zasady konstrukcyjne oraz zaawansowane techniki maskowania, aby wykorzystać 193-nanometrowy proces suchej litografii do wytwarzania procesorów 45-nanometrowych, ze względu na oszczędność kosztów i dużą łatwość produkcji.

Rodzina Penryn zapewni większą oszczędność energii a wywodzi się z mikroarchitektury Intel Core i stanowi kolejny etap strategii wprowadzania nowej technologii i nowej mikroarchitektury co dwa lata. Kombinacja najnowocześniejszej technologii 45-nanometrowej, wysokich mocy produkcyjnych oraz czołowej mikroarchitektury pozwoliła Intelowi szybko uzyskać pierwsze działające, 45-nanometrowe procesory Penryn.

Firma obecnie projektuje ponad 15 produktów 45-nanometrowych przeznaczonych na rynki komputerów biurkowych, przenośnych, stacji roboczych oraz systemów korporacyjnych. Przy ponad 400 milionach tranzystorów w procesorach dwurdzeniowych i ponad 800 milionach w procesorach czterordzeniowych, rodzina Penryn oferuje nowe rozwiązania mikroarchitektoniczne, które oferują większą wydajność i lepsze funkcje zarządzania energią, a także wyższą szybkość rdzeni i nawet 12 MB pamięci podręcznej. Procesory Penryn realizują również około 50 nowych instrukcji Intel SSE4, które zwiększają możliwości oraz wydajność aplikacji multimedialnych i obliczeniowych.